覃 杰

（廈門億力吉奧信息科技有限公司，福建 廈門 361000）

0.引言

地理信息是由數(shù)字、文字和圖象等多個要素組成的總稱，其能夠?qū)Φ乩硇畔⑦M行采集、存儲、更新與查詢等。在實現(xiàn)過程中，主要以計算機為手段，對具有地理特征的空間數(shù)據(jù)處理，能夠?qū)⑴c空間位置相關(guān)的信息結(jié)合起來。隨著地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用，人們逐漸對其有了更高的要求，不僅僅滿足于圖像、文字的顯示，更希望進行虛擬體驗和網(wǎng)上展示。而針對這個問題，目前國內(nèi)外學者開展了基于三維測繪地理信息系統(tǒng)的研究，其中，文獻[1]中，陳宇夫等人研究了生態(tài)交錯帶景觀空間格局三維數(shù)字化重建系統(tǒng)，預(yù)先利用固定翼無人機獲取二維高空圖像，對二維圖像進行校正，利用三維地形管理工具創(chuàng)建模式數(shù)據(jù)庫，最后通過數(shù)據(jù)對景觀格局進行了三維重建；文獻[2]中，唐昊等人研究了一種二三維聯(lián)動地理信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)構(gòu)建了由二維平面地圖與三維空間場景集成的虛擬地理信息系統(tǒng)，并結(jié)合了聯(lián)動算法，確定了三維場景的視點位置，完成系統(tǒng)的構(gòu)建。上述兩種方法都是采用了三維重建的方法對地理信息進行了重建，但是在重建顯示過程中，還存在一定的不足。

虛擬顯示技術(shù)是一種基于計算機技術(shù)，能夠構(gòu)建與現(xiàn)實環(huán)境十分相近的數(shù)字環(huán)境技術(shù)，能夠為人們提供一種逼真的現(xiàn)實環(huán)境[3]。為此，基于虛擬顯示技術(shù)這個優(yōu)點，設(shè)計一個基于虛擬顯示技術(shù)的測繪地理信息系統(tǒng)。

1 測繪地理信息系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 存儲卡設(shè)計

地理信息在測繪過程中，會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，為完整地將這些信息保存，對存儲卡進行設(shè)計。基于地理信息系統(tǒng)的設(shè)計需求，將CF卡應(yīng)用到系統(tǒng)設(shè)計中，CF卡建立標準的時間長，并且具有兼容性好與容量大的優(yōu)點，并且其使用了閃存技術(shù)，能夠?qū)Φ乩硇畔⑾到y(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)穩(wěn)定存儲，并且不需要電池持續(xù)供電，適用性較高。

CF卡主要由存儲介質(zhì)Flash與內(nèi)部控制器兩個基本部分構(gòu)成。在工作過程中，CF卡主要通過內(nèi)部控制器實現(xiàn)外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，其中的內(nèi)部控制器完全模擬硬盤設(shè)計，并采用了標準的ATA/IDE接口。CF卡在設(shè)計上不存在機械結(jié)構(gòu)，所以其能夠減少磁頭與磁道之間的轉(zhuǎn)換帶來的額外操作，具有較快的操作速度與邏輯尋址方式。

1.2 主控芯片設(shè)計

本課題以單片機S3C2440A為主控芯片，以ARM20T內(nèi)核為主，內(nèi)含標準宏單元和存儲單元。它以低成本、低功耗、高性能為特點，同時以MMU為核心實現(xiàn)了MMU，它采用了一種高速緩沖架構(gòu)，具有獨立的16KB指令，提供了一套完整的通用系統(tǒng)外設(shè)，從而減少了整個系統(tǒng)的外圍部件需求。

2.測繪地理信息系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 測繪地理信息采集與預(yù)處理

虛擬顯示是對客觀世界的反映，是對真實場景進行數(shù)字化表現(xiàn)的過程，所以在建立之前需采集與真實環(huán)境相關(guān)的數(shù)據(jù)。一般而言，采用的數(shù)據(jù)主要包括：

（1）地形數(shù)據(jù)；

（2）數(shù)字化地圖數(shù)據(jù)；

（3）情景實體數(shù)據(jù)，主要指場景模型中的外觀尺寸、結(jié)構(gòu)組成和對象的三視圖等；

（4）紋理數(shù)據(jù)。

以上數(shù)據(jù)采集或拍攝過程中，存在一定的殘余像差，這會出現(xiàn)鏡頭畸變情況，導致量測的坐標點存在誤差，為了得到更加準確的虛擬顯示結(jié)果，需對鏡頭進行畸變處理。當焦距不變時，所拍攝的每一幅圖像都存在失真數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差。為此采用直接法對圖像處理，直接法是直接從原始影像出發(fā)，將原始影像中的各個像素建立改正數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)圖像的改正。

2.2 地理信息建模

將虛擬顯示技術(shù)中的MultiGen CreatorPro建模方法應(yīng)用到模型構(gòu)建中，其能夠提供可視化環(huán)境，實現(xiàn)地理信息建模。三維場景的構(gòu)建流程[4](如圖1所示)：

圖1 三維場景的構(gòu)建流程

在物體組成部分放置過程中，需要進行絕對定向，對地理信息做初始匹配，匹配過程中需要從攝影測量坐標到地面測量坐標轉(zhuǎn)換。

為了消除影像立體觀測的上下視差的影響，需要確定同名核線。

基于上述過程完成絕對定向，在此基礎(chǔ)上，需要紋理映射，以生成一個高度逼真的模型，使測繪地理信息系統(tǒng)顯示的結(jié)構(gòu)更加具有真實性?；诩y理映射的關(guān)系，在紋理空間中確定景物表面任意可見點的位置，從數(shù)學的角度將映射關(guān)系描述，如式（1）所示：

式（1）中，（u,v）為二維紋理空間中的點；（x,y,z）為在三維物體空間中的點。

在曲面的映射中，涉及的解析函數(shù)參數(shù)形式較為復(fù)雜，其逆映射解析表達式基本無法獲得，為此需要做進一步處理，以圓柱面為例，如式（2）所示：

式（2）中，r為半徑；h為高。

在紋理映射中，將圓柱面的表達式參考進來，得到地理信息與紋理之間的映射關(guān)系。

使用MultiGen CreatorPro軟件完成紋理映射、創(chuàng)建地表，能夠準確地創(chuàng)建大面積地形，并且可以輕松地創(chuàng)建多種分辨率的地表特征，以形成完整的三維地形。

2.3 測繪地理信息虛擬顯示實現(xiàn)

在虛擬顯示過程中，每一幀的畫面都是通過顯卡和CPU計算，所以模型的面數(shù)會直接對顯示效率產(chǎn)生影響。由于測繪的地理信息較為密集，所以在虛擬三維場景中，將材質(zhì)相同的模型合并處理，以提高場景的顯示速度。同時，在構(gòu)建過程中，將Optimize修改器應(yīng)用到模型內(nèi)部中，將場景瀏覽中看不到的面片做清理處理，以達到節(jié)省系統(tǒng)資源的效果[5]。最后為了避免場景漫游過程中出現(xiàn)交替或者碰撞的問題，需要對碰撞檢測，并實時反饋。此次研究采用OBB檢測法，該方法緊密型較好，當物體發(fā)生旋轉(zhuǎn)后，只需要將OBB中的基層進行相同旋轉(zhuǎn)就可以了。

在利用虛擬顯示技術(shù)設(shè)計測繪地理信息系統(tǒng)時，會對數(shù)據(jù)建模，在這個過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，為此對測繪地理信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)建模。同時，通過地理編碼的方法，疊加地理信息資源，達到地理信息資源整合的目的。

3.實驗對比

3.1 實驗?zāi)康?/h3>

選取文獻1和文獻2系統(tǒng)提到的技術(shù)作為對比，準備同一組實驗數(shù)據(jù)作為約束條件并開展實驗，從而驗證提出技術(shù)的應(yīng)用效果，具體包括：地形匹配效果、植被細節(jié)效果和虛擬顯示效果。

3.2 實驗準備

為了保證實驗結(jié)果的可對比性和有效性，需要保證實驗數(shù)據(jù)的一致性。為此，需要準備并輸入相同的實驗數(shù)據(jù)和輸入條件，該數(shù)據(jù)將作為對比實驗的約束條件。本次實驗選擇一個75km2的試驗區(qū)，下面是試驗區(qū)數(shù)據(jù)的具體情況（如表1所示）：

表1 實驗數(shù)據(jù)說明

3.3 實驗過程

以該試驗區(qū)為例，并在上述約束條件下進行實驗，利用三種技術(shù)體系開展對比實驗。實驗過程主要包括以下步驟：

（1）對試驗區(qū)數(shù)據(jù)進行預(yù)處理

利用通用的空中三角測量技術(shù)（包括相對定向、絕對定向等步驟）獲取試驗區(qū)數(shù)據(jù)的內(nèi)外方位元素，從而獲取數(shù)據(jù)的精確空間位置。

（2）試驗區(qū)數(shù)據(jù)進行三維建模

利用MultiGen-CreatorPro建模方法，以及文獻1和文獻2中的建模方法對試驗區(qū)進行三維建模。

（3）地理信息三維可視化

利用三維虛擬顯示技術(shù)對第二步中的三維模型進行圖像渲染，最終顯示在PC端。

3.4 實驗結(jié)果

通過以上實驗對比，最終發(fā)現(xiàn)：本次新設(shè)計的測繪地理信息系統(tǒng)在地形匹配效果、虛擬設(shè)計后植被細節(jié)效果，以及三維虛擬顯示效果三方面較文獻1和文獻2至少提升20%以上。

以下對實驗結(jié)果進行詳細分析。

（1）地形匹配效果對比

分別采用此次研究的系統(tǒng)與文獻1系統(tǒng)、文獻2系統(tǒng)對地形匹配，此次研究的系統(tǒng)較文獻1系統(tǒng)與文獻2系統(tǒng)的匹配效果約提升40%。

原因分析：文獻1系統(tǒng)與文獻2系統(tǒng)對于道路與地形的關(guān)聯(lián)性處理精度不高，導致在三維模擬中出現(xiàn)了與地形不匹配的問題。而此次研究的系統(tǒng)沒有出現(xiàn)不匹配的問題，原因是此次研究的系統(tǒng)能夠?qū)Ψ胖玫缆返膮^(qū)域預(yù)處理，通過處理后能夠?qū)⒏叱龅牟糠帜テ?，并拔高低洼的部分，從而使道路更好地與地形匹配。

（2）虛擬設(shè)計后植被細節(jié)對比

在三種系統(tǒng)中分別對試驗區(qū)中同一個植被對象進行虛擬構(gòu)建，構(gòu)建結(jié)果（如圖2所示）：

圖2 虛擬設(shè)計后植被細節(jié)對比

通過上圖能夠發(fā)現(xiàn)，此次研究的系統(tǒng)較文獻1系統(tǒng)與文獻2系統(tǒng)的植被細節(jié)顯示效果約提升30%。

原因分析：此次研究的系統(tǒng)通過虛擬化處理，使模型精度和細節(jié)描述有較大提升；而文獻1系統(tǒng)與文獻2缺乏相應(yīng)的虛擬化處理手段，導致系統(tǒng)的細節(jié)描述效果較差，精度較低，顯示模糊。

（3）虛擬顯示效果對比

分別采用三種系統(tǒng)進行虛擬設(shè)計，顯示效果（如圖3、圖4所示）：

圖3 對象1虛擬顯示效果對比

圖4 對象2虛擬顯示效果對比

圖3、圖4分別通過兩個實驗對象進行對比測試，表明此次設(shè)計的系統(tǒng)在虛擬顯示效果上較文獻1和文獻2系統(tǒng)綜合提升20%。

原因分析：此次研究的測繪地理信息系統(tǒng)應(yīng)用到了虛擬顯示技術(shù)，并且在軟件部分設(shè)計了映射技術(shù)、匹配技術(shù)與碰撞檢測技術(shù)，從而在很大程度上提高了系統(tǒng)的應(yīng)用效果，使得三維模型細節(jié)處理更好。

4.結(jié)束語

為了提升傳統(tǒng)三維地理信息系統(tǒng)的虛擬顯示效果，本文提出了一種全新的虛擬顯示技術(shù)；同時，通過一組實驗與兩種傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行對比。最終表明：基于全新虛擬顯示技術(shù)開發(fā)的測繪地理信息系統(tǒng)顯示效果更好、顯示精度更高，并且系統(tǒng)合理可行、操作友好，能夠達到預(yù)期的研究目標，能夠為地理信息測繪提供技術(shù)支持和保障。

此次研制的系統(tǒng)針對顯示效果做了較多的測試、對比和分析，但是對于如何減少系統(tǒng)資源消耗沒有做過多的剖析，需要在后續(xù)研究中進一步加強。